Сегодня мы продолжаем наш рассказ о нобелевских лауреатах. Второй выпуск нашей рубрики «Как получить Нобелевку» посвящен первому в истории лауреату в области физики, человеку, давшему свое имя не только единице дозы облучения, но и целому диапазону электромагнитного излучения. Итак, встречайте - настоящий Х-man, Вильгельм Конрад Рентген.
Родился 27 марта 1845 года в Леннепе, Королевство Пруссия, умер 10 февраля 1923 года в Мюнхене.
Лауреат Нобелевской премии по физике 1901 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названных впоследствии в его честь» (In recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him) .
Учителем Рентгена можно назвать блестящего экспериментатора Августа Кундта, который работал профессором физики в знаменитой ETH Zurich (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха). Именно туда Вильгельм поступил в 1865 году, поскольку хотел стать инженером-механиком. Однако Кундт (кстати, бывший учителем и открывшего давление света Петра Лебедева), увидев незаурядные способности 20-летнего юноши, настоятельно советовал ему заняться физикой, и в 1869 году Рентген стал ассистентом Кундта. Затем вместе с учителем он переехал в Вюрцбург, потом в Страсбург. Постепенно сам Рентген уже обретал славу тончайшего экспериментатора. С 1874 года (Рентгену - 29) он сам стал преподавателем Страсбургского университета. Затем следует Гиссен и снова Вюрцбург, где в 1894 году он становится ректором университета. Казалось бы, 49 лет, важная, почетная и денежная должность, чего еще надо? Но Рентген взялся за исследования в области, в которой, казалось, все уже сделано: электрический разряд в вакуумной трубке. Например, в трубке Крукса.
Уильям Крукс с лучевой трубкой
Wikimedia Commons
Это стеклянный сосуд с двумя электродами в противоположных концах, из которого выкачан почти весь воздух. Уильям Крукс, создатель этого прибора, обнаружил, что при достаточном разрежении воздуха стекло на противоположном катоду конце трубки начинает флуоресцировать желто-зеленым светом, видимо, под действием некоего излучения, которое было названо катодными лучами.
Несколько слов нужно, конечно, сказать о самом Уильяме Круксе. Известнейший ученый, открывший таллий и получивший в лабораторных условиях гелий, был заядлым спиритистом. В 1874 году он, будучи 42 лет от роду, в самом расцвете научных сил, опубликовал статью, в которой заявлял, что спиритизм - это научно, и явления духов происходят на самом деле. Скандал был такой, что Круксу пришлось на много лет «залечь на дно» - дождаться того, что его научный авторитет станет незыблем, как и позиции в Королевском научном обществе, дождаться рыцарского титула (1897) и в 1898 году совершить каминг-аут в духе тех лет, заявив, что он убежденный спиритуалист. Им Крукс и оставался до самой смерти в 1919 году. Так что с 1913 по 1915 год Лондонское королевское общество возглавлял, по-нашему, лжеученый (но только в этом).
Но вернемся к Рентгену и катодным трубкам. К 1895 году казалось, что все в этих трубках уже известно. И мало кто мог догадаться, что пройдет всего два года, и при помощи трубки Крукса будет совершено два важнейших открытия, принесших две Нобелевских премии по физике. О втором мы еще поговорим, когда начнем разговор о лауреате 1906 года, первооткрывателе электрона, «Джей-Джей» Томсоне.
А мы продолжим рассказ о Рентгене. 8 ноября, пятничным вечером, Рентген по традиции остался допоздна в лаборатории. Ассистенты ушли домой, было сравнительно темно. В лаборатории стояла катодная трубка, закрытая черным картоном. Он включил ток в ней и увидел, что лежавшая рядом бумага, покрытая кристаллом комплексного соединения бария и платины, засветилась зеленым светом. Так ученый, которому уже пошел шестой десяток, сделал одно из самых великих открытий в истории физики - рентгеновское излучение или Х-лучи. На тщательную проверку всего (он был очень скрупулезен) Рентген потратил две недели.
28 декабря 1895 года в Annalen der Physik вышла первая статья Рентгена «О новом виде лучей». Вся суть была уже в первом абзаце: «Если пропускать разряд большой катушки Румкорфа через трубку Гитторфа, Крукса, Ленарда или любой другой прибор, то наблюдается следующее явление. Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием (Ba∙4H 2 O ), при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флуоресцировать. Флуоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной покрытой или не покрытой платиносинеродистым барием. Флуоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки. Легко убедиться, что причины флуоресценции исходят именно от разрядной трубки, а не от какого-нибудь места в проводке».
Очень заметна тщательность Рентгена в экспериментах. На первых страницах той же статьи перечислены предметы и вещества, которые Рентген испытал на проницаемость: бумага, книга в 1000 страниц, двойная колода карт, лист станиоля, еловые доски разной толщины, алюминиевая пластинка, диски из эбонита, стекло со свинцом и стекло без свинца, вода, сероуглерод и другие жидкости в слюдяных сосудах, собственная рука... «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях самой руки». Очень скоро был сделан и знаменитый снимок руки в рентгеновских лучах.
Слева рука жены Рентгена, справа - Келликера
Wikimedia Commons
На этой фотографии левой руки хорошо видно обручальное кольцо - это снимок руки жены Рентгена, Анны Берты Людвиг Рентген. Но очень часто публикуют другой снимок, под этим же названием, и тоже с кольцом на пальце. Но этот снимок - портрет кисти (простите за каламбур) немецкого анатома и гистолога Альберта фон Келликера, друга Рентгена. Этот снимок был сделан 23 января 1896 года.
Так было найдено первое медицинское применение новому открытию. Уже в 1896 году Джон Фрэнсис Холл-Эдвардс из Бирмингенма применил Х-лучи в медицине: сначала, 11 января, он сделал рентгеновский снимок кисти руки с введенной в нее стерильной иглой. А уже 14 февраля того же года им была выполнена первая операция, во время которой он, как хирург, руководствовался рентгеновским снимком. Чуть позже (1899) он стал первым официальным радиологом в мировой медицине. Ему же принадлежит честь использования рентгеновских лучей в военной медицине: в 1900 году в Южной Африке подразделение Холла-Эдвардса применяло рентген в военно-полевом госпитале во время англо-бурской войны. О количестве раненых, спасенных благодаря рентгеновским аппаратам в Первую мировую, можно не говорить, ведь оно исчисляется сотнями тысяч. Очень важно: Рентген отказался от патента на сами лучи и на способ получения рентгеновского изображения, считая, что это должно принадлежать человечеству.
Естественно, что слава, свалившаяся на Рентгена, оказалась оглушительной (он ненавидел свою известность). И естественно, что первый «Нобель» по физике достался именно ему.
Номинаций на самую первую Нобелевскую премию оказалось не очень много: 11 человек были номинированы 29 раз. И абсолютное большинство было за Рентгеном - 16 номинаций! Чуть ли не единственный случай такого превосходства. Среди прочих кандидатов можно отметить получивших «Нобеля» по физике Йоханнеса Ван-дер-Ваальса, Питера Зеемана, Гульермо Маркони, Филиппа фон Ленарда и Анри Беккереля, будущего нобелиата по химии Сванте Аррениуса (этот уникальный человек был номинирован и по химии, и по физике, и по медицине), а также не получившего премию Уильяма Томсона, более известного нам как лорд Кельвин.
Интересно другое: как и Аррениус, Рентген уже в 1906 году мог стать первым в истории дважды нобелевским лауреатом: начиная с 1906 года его абсолютно заслуженно пять раз номинировали на Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Еще один интересный факт из «нобелевской» истории Рентгена: сам он шесть раз номинировал коллег на премию. В 1901 и 1903 году - уже упомянутого Уильяма Томсона, в 1905 - другого Томсона, «Джей-Джей» (говорят, только после того, как самолично удостоверился в существовании электрона, до тех пор он запрещал произносить это слово в лаборатории). И, удивительное дело, несмотря на то, что сам Рентген держался подальше от «новой физики», тем не менее в 1917 году он номинировал на «Нобеля» Макса Планка, а в 1922 году - Нильса Бора. На получение премии Рентген не поехал.
Сам первооткрыватель же продолжил свои штудии. Как писал работавший с ним Абрам Иоффе, в первый год после открытия Рентгена об Х-лучах вышло более 1000 статей и более сотни научных работ. «Но в течение 12 лет ни одна работа не добавила ничего существенного к тому, что сумел сделать Рентген».
А уж о тех возможностях, которые открыли рентгеновские лучи науке, можно не говорить. Вот только несколько примеров.
Менее чем через 20 лет после открытия лучей отец и сын, Уильям Генри и Уильям Лоуренс Брэгги, поняли, что, используя рентгеновское излучение, а точнее, дифракцию рентгеновских лучей на кристалле вещества, можно узнать структуру кристаллической решетки. Так появился рентгеноструктурный анализ, а «семейный подряд» получил Нобелевскую премию по физике 1915 года (Брэгг-младший так и вовсе стал самым молодым естественнонаучным лауреатом премии за все времена: награда досталась ему в 25 лет!). Но мало кто знает, что попытку установить строение кристаллов при помощи Х-лучей предпринял сам Рентген.
Позже оказалось, что таким образом можно определять и структуру белков, главное - вырастить из них кристаллы. Этот процесс - настоящее искусство, и впервые его удалось осуществить британскому химику Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая в 1964 году удостоилась за свои работы Нобелевской премии по химии (всего женщины получали высшую научную награду в этой категории четыре раза). Кстати, четвертая женщина, Ада Йонат, получившая премию в 2009 году за изучение строения рибосомы, пользовалась тем же рентгеноструктурным анализом.
Вильгельм Конрад Рентген относился к ученым «старой школы», где незаурядные успехи в науке очень часто сочетались с личной скромностью и незаурядными личностными качествами. В 1917 году Германия уже проигрывала войну. Продукты распределялись по продовольственным карточкам. Многие друзья и ученые присылали Рентгену посылки с маслом и сахаром, однако Рентген сдавал все свои посылки для распределения среди горожан. С огромным трудом власти заставили Рентгена, потерявшего 24 килограмма, перейти на улучшенный паек. По первому призыву государства ученый отдал и все свои капиталы, размещенные в голландских ценных бумагах.
В 1919 году умерла его любимая жена. В 1920 году Рентген ушел со всех постов и остался почти без средств. Для того чтобы успеть перед смертью посетить любимые с женой места в Швейцарии, Рентген целый год отказывался от кофе и других излишеств. Тем не менее он успел в своей жизни все.
Идет уже 122 год со дня памятной даты гениального достижения В.К.Рентгена, но даже столь длительное время не смогло уменьшить значимость того щедрого подарка, который он сделал человечеству. История открытая рентгеновского излучения весьма поучительна и очень характерна для других величайших прорывов золотого века расцвета европейской науки. Его одновременно можно назвать как случайным, так и логичным, поскольку блуждая, в сущности, в потемках, немецкий ученый интуитивно чувствовал, что стоит на пороге изобретения, которое перевернет все представления о современной ему физической науке.
Трудно переоценить прикладное значение находки рентгеновских лучей. Ниже мы поговорим о них более подробно, а сейчас просто констатируем факт: по сути, до открытия гениального немца, медицине, за всю свою многовековую историю не удавалось найти способы визуального ознакомления с состоянием внутренних органов человека без применения хирургического вмешательства. Это существенно сокращало возможности проведения более или менее точной диагностики внутренних болезней, а, следовательно, эффективной терапии. Сегодня же рентген настолько вошел в нашу жизнь, что практически является неизменным приложением к слову «диагноз» (если не сказать – синонимом к нему)!
Открытие Рентгена нашло своё применение в различных областях.
Итак, год 1895, дата – восьмое ноября. Именно она считается днем открытия рентгеновского излучения. Недавно назначенный ректором Вюрцбургского университета Вильгельм Рентген по привычке задержался в своей физико-химической лаборатории почти до ночи. Выключив перед уходом электрические приборы, он обнаружил, что от одной из пробирок, в которой находилась прозрачная жидкость, исходит зеленоватое свечение. Ученый заметил, что не успел выключить один из опытных аппаратов – это была вакуумная трубка. Тут же исправив свою оплошность, физик увидел, что свечения – как не бывало. Самое интересное заключалось в том, что баночка с жидким содержимым находилась в противоположном конце лаборатории, а это означало, что от вакуумной трубки исходил неведомый доселе луч. Он решил удостовериться в верности своей догадки и стал выставлять на пути луча все, что попадалось под руку: тонкий бумажный лист, более плотный картон, затем стекло, наконец – деревянную доску. Эффект был один и тот же – эти удивительные лучи не признавали никаких преград! Тогда ученого осенило – он поставил еще один заслон, представляющий собой тару, в которой находились уже металлические гири, после чего замер от удивления: сквозь коробку абсолютно точно высвечивались контуры гирь! Забыв о том, что давно пора домой, ученый начал экспериментировать и с другими предметами, но когда случайным образом в зоне действия лучей оказалась его рука, он во всех деталях увидел внутреннюю ее часть – лишь костные структуры оставались непрозрачными. Так было обнаружено рентгеновское излучение – естественно, в дальнейшем ученый назвал таинственные лучи своим именем.
Не один год настойчиво продолжая эксперименты, ученый пытался не только докопаться до физической сути своего изобретенья, но и выяснить, какое прикладное значение будет иметь применение рентгеновского излучения? В этом ему помогали лучшие светила отрасли, и результаты не замедлили сказаться: обнаружение рентгеновских лучей дало мощный импульс развитию целых направлений естественных наук и отраслей прикладной инженерии. Именно при помощи рентгеновских излучений сегодня обеспечивается наша безопасность в аэропортах и железнодорожных вокзалах, а ювелирам и искусствоведам позволяет отличить оригинальные изделия и предметы живописи от подделок.
Однако наиболее ценным изобретение оказалось для медицинской науки, положив начало одной из ее ответвлений — рентгенологии. Ввиду того, что рентгеновские лучи, в отличие от иных форм электромагнитных излучений, имеют очень небольшую длину волны, они обладают гораздо большей энергией и проницающей способностью, и буквально просвечивают насквозь внутренние структуры человеческого тела.
Рентген применяли при лечении рака, туберкулёза и других заболеваний.
Если на заре использования рентгеновских лучей врачи в основном занимались определением переломов, то из года в год исследуемые заболевания становились все разнообразнее. Сегодня облучение рентгеном помогает не только обнаружить любую проблему, связанную с проблемами внутренних органов (этим занимается рентгенодиагностика), но и позволяет лечить серьезнейшие недуги, в частности – некоторые злокачественные новообразования (тут на помощь приходит рентгенотерапия).
В первом случае используются новейшие инновационные технологии типа обычной или осевой компьютерной томографии с получением цветных изображений внутренних органов человека в нужных проекциях.
При помощи рентгеновской съемки решаются и такие важные стоматологические проблемы, как обнаружение кариесов и воспалительных процессов в основаниях зубов. При проведении рентгенотерапии облучение лучами служит достижению следующих целей:
Кроме того, рентгеновские лучи широко применяются при мониторинге метаболических процессов в организме, а также весьма продуктивно используются в комбинации с физиотерапевтическими процедурами. Правда, здесь необходимо соблюдать одно важное правило: не использовать эти две манипуляции в один и тот же день, в противном случае облучающая нагрузка на систему кроветворения может стать непомерно высокой. Единственной безопасной процедурой в день, когда проводится рентген – исследование, является ингаляция.
На сегодняшний день рентгеновские лучи применяются во многих отраслях науки и техники.
Исследования на рентгеновском аппарате имеют свою специфику. Дело в том, что неправильное использование этих чудодейственных лучей может оказать негативное воздействие на человека, а неправильная дозировка просто опасна для жизни. Сам великий ученый и его современники еще не ведали об этом и не пользовались мерами защиты, поэтому некоторые из них получили не совместимые с жизнью ожоги. Только много лет спустя специалисты начали рассчитывать и устанавливать предельно допустимые пороги для облучения отдельных органов, параллельно создавая средства предохранения.
Поэтому сегодня радиационный уровень, воздействующий на человека при медицинских обследованиях, в основном достаточно мал по сравнению с теми преимуществами, которые дает точный диагноз, а в некоторых случаях – непосредственная рентгенотерапия. Промежуток времени облучения, как правило, составляет миллисекунды.
В то же время, в каждом индивидуальном случае решение о целесообразности проведения рентгенографии принимает лечащий врач. Особенно актуально это в тех случаях, когда в терапевтических либо диагностических целях необходимо использовать относительно высокие дозы облучений, например – при проведении компьютерной томографии или когда процедура предполагает использования контрастных материалов. При этом, перед назначением рентгена медики обязательно изучают анамнез больного, включая все пройденные им исследования. Помимо этого, при рентгенологических обследованиях существуют определенные ограничения для некоторой категории больных, к которым относятся готовящиеся стать матерью женщины, дети до 15 лет и некоторые другие.
Несмотря на некоторые негативные моменты и настоятельную необходимость соблюдения мер предосторожности, значение использования рентгена в медицинских целях не поддается оценке. Свидетельством тому миллионы людей, жизни которых спасло гениальное изобретение Вильгельма Рентгена!
Вильгельм Конрад Рентген.
Наука рентгенология получила своё название в честь профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена, открывшего рентгеновское излучение 8 ноября 1895 г. Само открытие Рентген совершил неожиданно для себя: поздним вечером, уходя из лаборатории, учёный погасил свет в комнате и заметил в темноте зеленоватое свечение, флюоресценцию, исходившую от экрана, покрытого кристаллами платино-синеродистого бария. Как оказалось, кристаллы отреагировали на воздействие на них расположенной неподалёку электровакуумной (круксовой) трубки, которая в тот момент находилась под высоким напряжением. При отключении тока свечение экрана прекращалось, а при повторном включении снова возобновлялось. Трубка была обёрнута в чёрную светонепроницаемую бумагу, поэтому Рентген предположил, что при прохождении через неё электрического тока она испускает какие-то невидимые лучи, способные проникать через непрозрачные среды и возбуждать кристаллы бария. Эти неизвестные лучи Рентген назвал X-лучами.
Через 50 дней учёный представил председателю Вюрцбургского физико-медицинского общества рукопись из 17 страниц, содержащую описание открытых им лучей. Этот день, 28 декабря 1895 г., вошёл в историю как официальная дата открытия рентгеновских лучей. Вместе с рукописью учёный представил также первую рентгенограмму, сделанную ранее, 22 декабря, на которой была запечатлена рука его жены Берты Рентген. После того как женщина увидела рентгеновский снимок своей руки, она, не разбираясь в тонкостях физики, была настолько впечатлена, что воскликнула: «Я видела свою смерть».
Вечером 23 января доктор Рентген прочитал лекцию в наполненной аудитории Вюрцбургского физико-медицинского общества. После дискуссии о проведённых экспериментах Рентген пригласил председателя общества Альберта фон Кёлликера, известного анатома, сделать снимок его руки с помощью новых X-лучей. Когда готовое изображение было продемострировано аудитории, она разразилась оглушительными овациями. Доктор фон Кёлликер, впечатлённый открытием, предложил назвать новые лучи рентгеновскими - его предложение аудитория встретила аплодисментами.
Открытие рентгеновских лучей вызвало широкий резонанс среди учёных всего мира, в том числе и среди российских учёных. В начале января 1896 г. брошюра Рентгена была опубликована. В течение нескольких недель она была переведена на русский, английский, французский и итальянский языки, и уже в конце января А. С. Попов изготовил первый в нашей стране рентгеновский аппарат, с помощью которого русские учёные повторили эксперимент Рентгена, сделав в России первую рентгенограмму. Фотография полученного снимка была размещена в русском переводе брошюры Рентгена, опубликованном в этом же месяце в Петербурге под названием «Новый род лучей».
Вильгельм Рентген продолжал изучать своё открытие, и к маю 1897 г. он окончательно сформулировал все основные свойства X-лучей, опубликовав ещё две научных статьи. Наиболее ценным практическим свойством рентгеновского излучения, нашедшем широкое применение в науке и медицине, оказалась его способность проникать через непрозрачные тела. В 1901 г. Вильгельм Рентген был удостоен за своё открытие первой Нобелевской премии в области физики. Впоследствии науку, изучающую воздействие рентгеновских лучей на организм, назвали рентгенологией.
Первый рентгеновский снимок, на котором запечатлена рука жены учёного, Берты Рентген, и её обручальное кольцо.
Годом рождения ветеринарной рентгенологии в России можно считать 1896 г., когда С.С. Лисовский впервые применил рентгеновские лучи для просвечивания собаки. В 1899 г. М.А. Мальцев помимо просвечивания произвёл также снимки головы, шеи и конечностей собаки, плюсны и пута лошади, а также пясти коровы; для фиксации животных во время исследования учёный применял наркоз. Спустя три года в лаборатории Харьковского ветеринарного института была собрана рентгеновская установка, с помощью которой диагностировали переломы костей и вывихи, определяли инородные тела, а также проводили исследования плодов у мелких домашних животных.
Однако эти исследования были единичными, они проводились на примитивных аппаратах, собранных своими силами. Лишь к 1924 г. в мастерских бывшего СССР было начато производство рентгеновских аппаратов, и благодаря Г.В. Домрачёву и А.И. Вишнякову из Казанского и Ленинградского ветеринарных институтов данный вид исследования получил широкое применение в ветеринарии.
Впоследствии мастерские по производству рентгеновских аппаратов превратились в рентгеновские заводы, которые к 1931 г. стали выпускать аппараты, пригодные для исследования не только мелких животных, но и крупных, благодаря чему в 1932 г. в Ленинградском, Харьковском и Казанском ветеринарных институтах, были оборудованы первые рентгеновские кабинеты.
Рентгенограмма руки анатома Альберта фон Кёлликера, сделанная 23 января 1896 г. В.К. Рентгеном во время его публичной лекции на заседании физико-медицинского общества.
С этого момента в бывшем СССР начинается интенсивное развитие ветеринарной рентгенологии, существенный вклад в которую внесли многие советские ветеринарные рентгенологи. Среди наиболее значимых открытий можно выделить следующие:
Ветеринарные рентгенологи России и бывшего СССР внесли большой вклад в ветеринарную науку по таким вопросам, как определение минерального обмена у сельскохозяйственных животных и птиц, диагностика болезней органов дыхания крупных и мелких животных, диагностика болезней органов пищеварения, сравнительные рентгеноанатомические исследования у сельскохозяйственных животных, определение места и глубины залегания инородных тел.
В связи с появлением в настоящее время ещё более совершенных рентгеновских аппаратов возможности исследования животных значительно увеличились. Активно развивается цифровая рентгенография, которая благодаря многократному улучшению качества изображения постепенно вытесняет классическую, аналоговую рентгенографию.
Рентгеновское излучение, с точки зрения физики, это электромагнитное излучение, длина волн которого варьируется в диапазоне от 0,001 до 50 нанометров. Было открыто в 1895 немецким физиком В.К.Рентгеном.
По природе эти лучи являются родственными солнечному ультрафиолету. В спектре самыми длинными являются радиоволны. За ними идет инфракрасный свет, который наши глаза не воспринимают, но мы ощущаем его как тепло. Далее идут лучи от красного до фиолетового. Затем - ультрафиолет (А, В и С). А сразу за ним рентгеновские лучи и гамма-излучение.
Рентгеновское может быть получено двумя способами: при торможении в веществе проходящих сквозь него заряженных частиц и при переходе электронов с высших слоев на внутренние при высвобождении энергии.
В отличие от видимого света эти лучи имеют очень большую длину, поэтому способны проникать через непрозрачные материалы, не отражаясь, не преломляясь и не накапливаясь в них.
Тормозное излучение получить проще. Заряженные частицы при торможении испускают электромагнитное излучение. Чем больше ускорение этих частиц и, следовательно, резче торможение, тем больше образуется рентгеновского излучения, а длина его волн становится меньше. В большинстве случаев на практике прибегают к выработке лучей в процессе торможения электронов в твердых веществах. Это позволяет управлять источником этого излучения, избегая опасности радиационного облучения, потому что при отключении источника рентгеновское излучение полностью исчезает.
Самый распространенный источник такого излучения - Испускаемое ей излучение неоднородно. В нем присутствует и мягкое (длинноволновое), и жесткое (коротковолновое) излучения. Мягкое характеризуется тем, что полностью поглощается человеческим телом, поэтому такое рентгеновское излучение вред приносит в два раза больше, чем жесткое. При чрезмерном электромагнитном облучении в тканях организма человека ионизация может привести к повреждению клеток и ДНК.
Трубка - это с двумя электродами - отрицательным катодом и положительным анодом. При разогревании катода из него испаряются электроны, затем они ускоряются в электрическом поле. Сталкиваясь с твердым веществом анодов, они начинают торможение, которое сопровождается испусканием электромагнитного излучения.
Рентгеновское излучение, свойства которого широко используются в медицине, базируется на получении теневого изображения исследуемого объекта на чувствительном экране. Если диагностируемый орган просвечивать пучком параллельных друг другу лучей, то проекция теней от этого органа будет передаваться без искажений (пропорционально). На практике источник излучения более похож на точечный, поэтому его располагают на расстоянии от человека и от экрана.
Чтобы получить человек помещается между рентгеновской трубкой и экраном или пленкой, выступающими в роли приемников излучения. В результате облучения на снимке костная и другие плотные ткани проявляются в виде явных теней, выглядят более контрастно на фоне менее выразительных участков, которые передают ткани с меньшим поглощением. На рентгеновских снимках человек становится «полупрозрачным».
Распространяясь, рентгеновское излучение может рассеиваться и поглощаться. До поглощения лучи могут проходить сотни метров в воздухе. В плотном веществе они поглощаются гораздо быстрее. Биологические ткани человека неоднородны, поэтому поглощение ими лучей зависит от плотности ткани органов. поглощает лучи быстрее, чем мягкие ткани, потому что содержит вещества, имеющие большие атомные номера. Фотоны (отдельные частицы лучей) поглощаются разными тканями организма человека по-разному, что и позволяет получать контрастное изображение с помощью рентгеновских лучей.
Рентгеновское излучение (синоним рентгеновские лучи) - это с широким диапазоном длин волн (от 8·10 -6 до 10 -12 см). Рентгеновское излучение возникает при торможении заряженных частиц, чаще всего электронов, в электрическом поле атомов вещества. Образующиеся при этом кванты имеют различную энергию и образуют непрерывный спектр. Максимальная энергия квантов в таком спектре равна энергии налетающих электронов. В (см.) максимальная энергия квантов рентгеновского излучения, выраженная в килоэлектрон-вольтах, численно равна величине приложенного к трубке напряжения, выраженного в киловольтах. При прохождении через вещество рентгеновское излучение взаимодействует с электронами его атомов. Для квантов рентгеновского излучения с энергией до 100 кэв наиболее характерным видом взаимодействия является фотоэффект. В результате такого взаимодействия энергия кванта полностью расходуется на вырывание электрона из атомной оболочки и сообщения ему кинетической энергии. С ростом энергии кванта рентгеновского излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и преобладающим становится процесс рассеяния квантов на свободных электронах - так называемый комптон-эффект. В результате такого взаимодействия также образуется вторичный электрон и, кроме того, вылетает квант с энергией меньшей, чем энергия первичного кванта. Если энергия кванта рентгеновского излучения превышает один мегаэлектрон-вольт, может иметь место так называемый эффект образования пар, при котором образуются электрон и позитрон (см. ). Следовательно, при прохождении через вещество происходит уменьшение энергии рентгеновского излучения, т. е. уменьшение его интенсивности. Поскольку при этом с большей вероятностью происходит поглощение квантов низкой энергии, то имеет место обогащение рентгеновского излучения квантами более высокой энергии. Это свойство рентгеновского излучения используют для увеличения средней энергии квантов, т. е. для увеличения его жесткости. Достигается увеличение жесткости рентгеновского излучения использованием специальных фильтров (см. ). Рентгеновское излучение применяют для рентгенодиагностики (см. ) и (см.). См. также Излучения ионизирующие.
Рентгеновское излучение (синоним: рентгеновские лучи, рентгеновы лучи) - квантовое электромагнитное излучение с длиной волны от 250 до 0,025 А (или квантов анергии от 5·10 -2 до 5·10 2 кэв). В 1895 г. открыто В. К. Рентгеном. Смежную с рентгеновским излучением спектральную область электромагнитного излучения, кванты энергии которого превышают 500 кэв, называют гамма-излучением (см.); излучение, кванты энергии которого ниже значений 0,05 кэв, составляет ультрафиолетовое излучение (см.).
Таким образом, представляя относительно небольшую часть обширного спектра электромагнитных излучений, в который входят и радиоволны и видимый свет, рентгеновское излучение, как всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света (в пустоте около 300 тыс. км/сек) и характеризуется длиной волны λ (расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания). Рентгеновское излучение обладает также рядом других волновых свойств (преломление, интерференция, дифракция), однако наблюдать их значительно сложнее, чем у более длинноволнового излучения: видимого света, радиоволн.
Спектры рентгеновского излучения: а1 - сплошной тормозной спектр при 310 кв; а - сплошной тормозной спектр при 250 кв, а1 - спектр, фильтрованный 1 мм Cu, а2 - спектр, фильтрованный 2 мм Cu, б - К-серия линии вольфрама.
Для генерирования рентгеновского излучения применяют рентгеновские трубки (см.), в которых излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с атомами вещества анода. Различают рентгеновские излучения двух видов: тормозное и характеристическое. Тормозное рентгеновское излучение, имеющее сплошной спектр, подобно обычному белому свету. Распределение интенсивности в зависимости от длины волны (рис.) представляется кривой с максимумом; в сторону длинных волн кривая спадает полого, а в сторону коротких - круто и обрывается при определенной длине волны (λ0), называемой коротковолновой границей сплошного спектра. Величина λ0 обратно пропорциональна напряжению на трубке. Тормозное излучение возникает при взаимодействии быстрых электронов с ядрами атомов. Интенсивность тормозного излучения прямо пропорциональна силе анодного тока, квадрату напряжения на трубке и атомному номеру (Z) вещества анода.
Если энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов превосходит критическую для вещества анода величину (эта энергия определяется критическим для этого вещества напряжением на трубке Vкр), то возникает характеристическое излучение. Характеристический спектр - линейчатый, его спектральные линии образуют серии, обозначаемые буквами К, L, М, N.
Серия К - самая коротковолновая, серия L - более длинноволновая, серии М и N наблюдаются только у тяжелых элементов (Vкр вольфрама для К-серии - 69,3 кв, для L-серии - 12,1 кв). Характеристическое излучение возникает следующим образом. Быстрые электроны выбивают атомные электроны из внутренних оболочек. Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних, менее связанных оболочек заполняют освободившиеся во внутренних оболочках места, и излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергий атома в возбужденном и основном состоянии. Эта разность (а следовательно, и энергия фотона) имеет определенное значение, характерное для каждого элемента. Это явление лежит в основе рентгеноспектрального анализа элементов. На рисунке виден линейчатый спектр вольфрама на фоне сплошного спектра тормозного излучения.
Энергия ускоренных в рентгеновской трубке электронов преобразуется почти целиком в тепловую (анод при этом сильно нагревается), лишь незначительная часть (около 1% при напряжении, близком к 100 кв) превращается в энергию тормозного излучения.
Применение рентгеновского излучения в медицине основано на законах поглощения рентгеновых лучей веществом. Поглощение рентгеновского излучения совершенно не зависит от оптических свойств вещества поглотителя. Бесцветное и прозрачное свинцовое стекло, используемое для защиты персонала рентгеновских кабинетов, практически полностью поглощает рентгеновское излучение. Напротив, лист бумаги, не прозрачный для света, не ослабляет рентгеновского излучения.
Интенсивность однородного (т. е. определенной длины волны) пучка рентгеновского излучения при прохождении через слой поглотителя уменьшается по экспоненциальному закону (е-х), где е - основание натуральных логарифмов (2,718), а показатель экспоненты х равен произведению массового коэффициента ослабления (μ/р) см 2 /г на толщину поглотителя в г/см 2 (здесь р - плотность вещества в г/см 3). Ослабление рентгеновского излучения происходит как за счет рассеяния, так и за счет поглощения. Соответственно массовый коэффициент ослабления является суммой массовых коэффициентов поглощения и рассеяния. Массовый коэффициент поглощения резко возрастает с увеличением атомного номера (Z) поглотителя (пропорционально Z3 или Z5) и с увеличением длины волны (пропорционально λ3). Указанная зависимость от длины волны наблюдается в пределах полос поглощения, на границах которых коэффициент обнаруживает скачки.
Массовый коэффициент рассеяния возрастает с увеличением атомного номера вещества. При λ≥0,ЗÅ коэффициент рассеяния от длины волны не зависит, при λ<0,ЗÅ он уменьшается с уменьшением λ.
Уменьшение коэффициентов поглощения и рассеяния с уменьшением длины волны обусловливает возрастание проникающей способности рентгеновского излучения. Массовый коэффициент поглощения для костей [поглощение в основном обусловлено Са 3 (РO 4) 2 ] почти в 70 раз больше, чем для мягких тканей, где поглощение в основном обусловлено водой. Это объясняет, почему на рентгенограммах так резко выделяется тень костей на фоне мягких тканей.
Распространение неоднородного пучка рентгеновского излучения через любую среду наряду с уменьшением интенсивности сопровождается изменением спектрального состава, изменением качества излучения: длинноволновая часть спектра поглощается в большей степени, чем коротковолновая, излучение становится более однородным. Отфильтровывание длинноволновой части спектра позволяет при рентгенотерапии очагов, глубоко расположенных в теле человека, улучшить соотношение между глубинной и поверхностной дозами (см. Рентгеновские фильтры). Для характеристики качества неоднородного пучка рентгеновых лучей используется понятие «слой половинного ослабления (Л)» - слой вещества, ослабляющий излучение наполовину. Толщина этого слоя зависит от напряжения на трубке, толщины и материала фильтра. Для измерения слоев половинного ослабления используют целлофан (до энергии 12 кэв), алюминий (20-100 кэв), медь (60-300 кэв), свинец и медь (>300 кэв). Для рентгеновых лучей, генерируемых при напряжениях 80-120 кв, 1 мм меди по фильтрующей способности эквивалентен 26 мм алюминия, 1 мм свинца - 50,9 мм алюминия.
Поглощение и рассеяние рентгеновского излучения обусловлено его корпускулярными свойствами; рентгеновское излучение взаимодействует с атомами как поток корпускул (частиц) - фотонов, каждый из которых имеет определенную энергию (обратно пропорциональную длине волны рентгеновского излучения). Интервал энергий рентгеновских фотонов 0,05-500 кэв.
Поглощение рентгеновского излучения обусловлено фотоэлектрическим эффектом: поглощение фотона электронной оболочкой сопровождается вырыванием электрона. Атом возбуждается и, возвращаясь в основное состояние, испускает характеристическое излучение. Вылетающий фотоэлектрон уносит всю энергию фотона (за вычетом энергии связи электрона в атоме).
Рассеяние рентгеновского излучения обусловлено электронами рассеивающей среды. Различают классическое рассеяние (длина волны излучения не меняется, но меняется направление распространения) и рассеяние с изменением длины волны - комптон-эффект (длина волны рассеянного излучения больше, чем падающего). В последнем случае фотон ведет себя как движущийся шарик, а рассеяние фотонов происходит, по образному выражению Комнтона, наподобие игры на бильярде фотонами и электронами: сталкиваясь с электроном, фотон передает ему часть своей энергии и рассеивается, обладая уже меньшей энергией (соответственно длина волны рассеянного излучения увеличивается), электрон вылетает из атома с энергией отдачи (эти электроны называют комптон-электронами, или электронами отдачи). Поглощение энергии рентгеновского излучения происходит при образовании вторичных электронов (комптон - и фотоэлектронов) и передаче им энергии. Энергия рентгеновского излучения, переданная единице массы вещества, определяет поглощенную дозу рентгеновского излучения. Единица этой дозы 1 рад соответствует 100 эрг/г. За счет поглощенной энергии в веществе поглотителя протекает ряд вторичных процессов, имеющих важное значение для дозиметрии рентгеновского излучения, так как именно на них основываются методы измерения рентгеновского излучения. (см. Дозиметрия).
Все газы и многие жидкости, полупроводники и диэлектрики под действием рентгеновского излучения увеличивают электрическую проводимость. Проводимость обнаруживают лучшие изоляционные материалы: парафин, слюда, резина, янтарь. Изменение проводимости обусловлено ионизацией среды, т. е. разделением нейтральных молекул на положительные и отрицательные ионы (ионизацию производят вторичные электроны). Ионизация в воздухе используется для определения экспозиционной дозы рентгеновского излучения (дозы в воздухе), которая измеряется в рентгенах (см. Дозы ионизирующих излучений). При дозе в 1 р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад.
Под действием рентгеновского излучения в результате возбуждения молекул вещества (и при рекомбинации ионов) возбуждается во многих случаях видимое свечение вещества. При больших интенсивностях рентгеновского излучения наблюдается видимое свечение воздуха, бумаги, парафина и т. п. (исключение составляют металлы). Наибольший выход видимого свечения дают такие кристаллические люминофоры, как Zn·CdS·Ag-фосфор и другие, применяемые для экранов при рентгеноскопии.
Под действием рентгеновского излучения в веществе могут проходить также различные химические процессы: разложение галоидных соединений серебра (фотографический эффект, используемый при рентгенографии), разложение воды и водных растворов перекиси водорода, изменение свойств целлулоида (помутнение и выделение камфоры), парафина (помутнение и отбелка).
В результате полного преобразования вся поглощенная химически инертным веществом энергия рентгеновское излучение превращается в теплоту. Измерение очень малых количеств теплоты требует высокочувствительных методов, зато является основным способом абсолютных измерений рентгеновского излучения.
Вторичные биологические эффекты от воздействия рентгеновского излучения являются основой медицинской рентгенотерапии (см.). Рентгеновские излучения, кванты которых составляют 6-16 кэв (эффективные длины волн от 2 до 5 Å), практически полностью поглощаются кожным покровом ткани человеческого тела; они называются пограничными лучами, или иногда лучами Букки (см. Букки лучи). Для глубокой рентгенотерапии применяется жесткое фильтрованное излучение с эффективными квантами энергии от 100 до 300 кэв.
Биологическое действие рентгеновского излучения должно учитываться не только при рентгенотерапии, но и при рентгенодиагностике, а также во всех других случаях контакта с рентгеновским излучением, требующих применения противолучевой защиты (см.).
